Недавно выявленный процесс мог бы объяснить множество природных явлений и обеспечить новые подходы к опреснению воды.
Испарение происходит вокруг нас постоянно: от пота, охлаждающего наши тела, до росы, сгорающей под утренним солнцем. Но в научном понимании этого повсеместного процесса, возможно, всё это время чего-то не хватало.
В последние годы некоторые исследователи были озадачены, обнаружив, что в их экспериментах вода, которая содержалась в похожем на губку материале, известном как гидрогель, испарялась с более высокой скоростью, чем можно было бы объяснить количеством тепла или тепловой энергии. , что вода поступала. И превышение было значительным — удвоение, а то и утроение и более теоретической максимальной ставки.
После проведения серии новых экспериментов и моделирования, а также повторного изучения некоторых результатов различных групп, которые утверждали, что превысили тепловой предел, группа исследователей из Массачусетского технологического института пришла к поразительному выводу: при определенных условиях на границе раздела, где вода Когда воздух встречается с воздухом, свет может напрямую вызывать испарение без необходимости использования тепла, и на самом деле он делает это даже более эффективно, чем тепло. В этих экспериментах вода удерживалась в гидрогелевом материале, но исследователи предполагают, что это явление может происходить и при других условиях.
Это явление может играть роль в формировании и эволюции тумана и облаков, поэтому его важно включить в климатические модели для повышения их точности , говорят исследователи. И это может сыграть важную роль во многих промышленных процессах, таких как опреснение воды с помощью солнечной энергии, возможно, создавая альтернативу этапу предварительного преобразования солнечного света в тепло.
Последствия исследования
Новые результаты стали неожиданностью, поскольку вода сама по себе не поглощает свет в сколько-нибудь существенной степени. Вот почему сквозь многие футы чистой воды вы можете ясно видеть поверхность внизу. Итак, когда команда впервые начала исследовать процесс солнечного испарения для опреснения воды, они сначала поместили частицы черного светопоглощающего материала в контейнер с водой, чтобы помочь преобразовать солнечный свет в тепло.
Затем команда наткнулась на работу другой группы, которая достигла скорости испарения, вдвое превышающей тепловой предел — то есть максимально возможного количества испарения, которое может произойти при заданном поступлении тепла, на основе основных физических принципов, таких как сохранение энергии. Именно в этих экспериментах вода была связана в гидрогель. Хотя поначалу они были настроены скептически, Чен и Ту начали свои собственные эксперименты с гидрогелями, включив в них кусок материала из другой группы.
«Мы протестировали его на нашем солнечном симуляторе, и он сработал», — говорит Чен, подтвердив необычно высокую скорость испарения. «Итак, теперь мы им поверили». Затем Чен и Ту начали создавать и тестировать свои собственные гидрогели.
Они начали подозревать, что избыточное испарение вызвано самим светом — что фотоны света на самом деле сбивают пучки молекул воды с поверхности воды. Этот эффект будет иметь место только в пограничном слое между водой и воздухом, на поверхности гидрогелевого материала, а также, возможно, на поверхности моря или на поверхности капель в облаках или тумане.
В лаборатории они исследовали поверхность гидрогеля, желеобразной матрицы, состоящей в основном из воды, связанной губчатой решеткой из тонких мембран. Они измерили его реакцию на искусственный солнечный свет с точно контролируемыми длинами волн.
Исследователи последовательно подвергли поверхность воды воздействию света разных цветов и измерили скорость испарения. Они сделали это, поместив контейнер с гидрогелем, наполненным водой, на весы и непосредственно измерив количество массы, потерянной в результате испарения, а также отслеживая температуру над поверхностью гидрогеля. Лампы были экранированы, чтобы предотвратить перегрев. Исследователи обнаружили, что эффект варьируется в зависимости от цвета и достигает максимума при определенной длине волны зеленого света. Такая зависимость цвета не имеет никакого отношения к теплу и поэтому подтверждает идею о том, что именно свет сам по себе является причиной, по крайней мере, некоторой части испарения.
Исследователи попытались воспроизвести наблюдаемую скорость испарения с помощью той же установки, но с использованием электричества для нагрева материала и без света. Несмотря на то, что тепловая мощность была такой же, как и в другом тесте, количество испаряющейся воды никогда не превышало тепловой предел. Однако это произошло при включенном искусственном солнечном свете, подтвердив, что свет был причиной дополнительного испарения.
Хотя вода сама по себе не поглощает много света, как и сам гидрогелевый материал, когда они объединяются, они становятся сильными поглотителями, говорит Чен. Это позволяет материалу эффективно использовать энергию солнечных фотонов и превышать тепловой предел без необходимости использования каких-либо темных красителей для поглощения.
Потенциальные применения и постоянное сотрудничество
Обнаружив этот эффект, который они назвали фотомолекулярным эффектом, исследователи теперь работают над тем, как применить его к реальным потребностям. У них есть грант от Лаборатории водных и пищевых систем Абдула Латифа Джамиля Массачусетского технологического института на изучение использования этого явления для повышения эффективности систем опреснения, работающих на солнечной энергии, а также грант Бозе на изучение влияния этого явления на моделирование изменения климата.
Ту объясняет, что в стандартных процессах опреснения «обычно он состоит из двух этапов: сначала мы испаряем воду в пар, а затем нам нужно конденсировать пар, чтобы превратить его в жидкость в пресную воду». Благодаря этому открытию, по его словам, потенциально «мы сможем достичь высокой эффективности испарения». Этот процесс также может найти применение в процессах, требующих сушки материала.
Чен говорит, что в принципе, по его мнению, можно увеличить лимит воды, получаемой при опреснении солнечной энергией, который в настоящее время составляет 1,5 килограмма на квадратный метр, в три-четыре раза, используя этот подход, основанный на освещении. «Потенциально это может привести к дешевому опреснению воды», — говорит он.
Ту добавляет, что это явление потенциально можно также использовать в процессах испарительного охлаждения, используя фазовый переход для создания высокоэффективной солнечной системы охлаждения.
Между тем, исследователи также тесно сотрудничают с другими группами, которые пытаются воспроизвести полученные результаты, надеясь преодолеть скептицизм в отношении неожиданных результатов и выдвигаемой гипотезы для их объяснения.
No comments:
Post a Comment